Цветные металлы - это большая группа металлических материалов, которые используются в повседневной жизни и разных отраслях промышленности, также они востребованы в необычных сферах, о которых могут не знать даже самые «продвинутые» специалисты в области материаловедения. Исходя из названия, металлы обладают характерной окраской, что является их первостепенным отличием от чёрных металлов.
Одни из цветных материалов отличаются повышенной стойкостью к ржавлению, высокой прочностью, другие - хорошей электрической проводимостью. В данной статье рассмотрим, какие качества делают цветные металлы лучшими для использования их в конкретных отраслях, расскажем о нестандартных вариантах применения цветных материалов.
Свойства и плюсы цветных металлов
Цветные материалы и их сплавы отличаются цветом, способом изготовления, сферами применения, имеют уникальный состав и структуру, но несмотря на большие различия можно выделить некоторые общие свойства, характерные для данной категории, а именно:
- стойкость к коррозии – большинство цветных материалов имеют повышенную коррозионную стойкость, хорошо переносят воздействие воды и агрессивных веществ, поэтому их часто используют в окружающих средах, где существуют риски быстрого ржавления;
- высокая электро- и термическая проводимость - такие материалы, как алюминий, медь – отличные проводники электрического тока и тепла, поэтому они часто востребованы в электротехнических сферах, при изготовлении солнечных батарей;
- прочность и лёгкость - большая группа цветных металлов отличается малым весом и высокой прочностью, поэтому их применяют в космической отрасли и других сферах промышленности, где важны данные качества;
- лёгкая формовка – некоторые цветные металлы легко меняют форму и размер, поэтому являются идеальным вариантом при производстве промышленных деталей, практичной кухонной утвари;
- эстетическая привлекательность – такие ценные металлы как серебро и золото часто используют при создании ювелирных украшений и других элементов роскоши;
- лёгкая утилизация и переработка – многие цветные металлические материалы легко переработать и утилизировать.
Свойства цветных металлов зависят от конкретного состава, могут быть изменены или усовершенствованы, например, с помощью легирования или термической обработки.
Способы получения
Цветные металлические материалы получают разными способами, все зависит от их свойств и дальнейших сфер применения. Самыми популярными методами являются:
- Электролиз – данный вариант актуален, чтобы получить медь, цинк, никель, алюминий и другие металлы. В основе технологии – принцип электролиза, когда ток проходит через расплавленный металл, который распадается на отрицательные и положительные ионы.
- Коксование – необходим для получения кобальта, никеля. Металлические руды смешивают с коксом и при высоких температурах обрабатывают в специальных печах.
- Обжиг – применим для получения меди, цинка, свинца. Руды подвергают обжигу для удаления из них примесей и получения чистого металла.
- Извлечение из концентратов и металлических руд – данным способом пользуются для добычи металлов по типу кобальт, алюминий, никель, медь. Руды в металлургии обрабатывают различными способами для получения концентратов.
- Металлургия порошков – способ актуален для добычи таких металлов как молибден, цирконий, титан. Технология основана на измельчении порошков и их дальнейшей синтезации при высоких температурах.
- Гидрометаллургия – этот метод необходим для никеля, кобальта, меди, цинка, он основан на применении химических реакций, которые позволяют извлечь металл из руды.
Расширенные возможности цветных металлов
В нашей повседневной жизни цветные металлы давно играют первостепенную роль, из них изготавливают украшения, монеты, детали, различные промышленные изделия, но кроме традиционного применения цветных металлов, данные материалы часто используют в необычных сферах, расскажем о них.
Золото в медицине и космосе
Для защиты от УФ-лучей и радиации спутники и космические корабли часто покрывают тонким золотым слоем. Материал может отражать солнечный свет, поэтому является идеальным вариантом для решения данной задачи. Помимо этого ценный металл добавляют в смазку для узлов космических аппаратов, так как она не теряет своих качеств даже при экстремальных температурах в космическом вакууме.
Золото используют для создания протезов и имплантов, материал имеет высокую совместимость с человеческим организмом, не вызывает аллергии. Металл востребован в радиохирургии для получения радиочувствительных нано частиц, помогающих максимально точно направлять радиационный поток на опухоль.
Цирконий – незаменимый компонент ядерной энергетики
Цирконий – высокопластичный металл, чрезвычайно устойчивый к нагреву и коррозии, он не ржавеет под воздействием щелочей и кислот, не поглощает нейтроны, которые образуются в процессе деления ядер. Уникальные характеристики металла делают его незаменимым в химической промышленности и атомной энергетике. Его используют в качестве оболочки стержней атомных реакторов.
Благодаря своей долговечности и биосовместимости цирконий востребован в медицине, из него изготавливают хирургические и стоматологические импланты. Диоксид циркония или по другому – фианит, это драгоценный камень. Синтезированный материал является достойной заменой драгоценным камням.
Титан помог «ворваться» в космос
Титан – это самый твёрдый металл на Земле, он присутствует в метеоритах и других звёздах. Необычный материал помог человеку достичь невероятных высот в разных сферах жизни, его почитают за лёгкость, высокую прочность, продолжительный срок службы. В настоящее время основной потребитель титанового проката – авиастроение. Лёгкий титан существенно снижает вес конструкции, поэтому из него делают обшивку кораблей, самолётов, ракет. «Металл будущего» используют в ювелирном деле и медицине.
Медь – священный металл
В некоторых странах медь считается священным металлом, люди верят, что она помогает бороться с неизлечимыми болезнями, поэтому стараются пить воду, в которой помещены медные монеты.
Медь - это материал, который можно легко переработать повторно, поэтому около 75% общего объема лома проходит вторичную переработку. Интересно, что в древнеегипетских развалинах специалисты обнаружили водопроводные трубы из меди, которым более 5,5 тыс. лет, однако элементы были в хорошем состоянии, сохраняли свою работоспособность.
Так как медь обладает высокой коррозионной стойкостью, то из неё делают ёмкости для хранения радиоактивных и токсичных отходов.
Олово оказало решающее влияние на развитие цивилизации
Олово наряду с медью, железом и золотом относится к элементам, о которых человечество знает уже с древних времён, не зря в честь сплава олова и меди назван бронзовый век, который длился с VI до I тысячелетия до нашей эры. Температура плавления лёгкого металла – 231,9 °C. Материал используют в металлургии для изготовления разных сплавов, из которых далее создают подшипники, фольгу для упаковки, провода, бронзу, белую пищевую жесть. Замечено, что при отрицательных температурах белое олово становится серым. Оловянные изделия трескаются, превращаясь в серый порошок. Данное явление получило название «оловянная чума». Некоторые историки предполагают, что благодаря «оловянной чуме» Российской Империи удалось победить армию Наполеона, так как оловянные пуговицы и пряжки для ремней на военной одежде французов из-за мороза превратились в порошок. Ещё один исторический факт, который зафиксирован документально: экспедиция к Южному полису знаменитого исследователя Скотта закончилась трагически, так как всё топливо вытекло из ёмкостей, запаянных оловом, путешественники не смогли заправить мотосани, а дойти пешком не было сил.
Латунь – идеальный материал для изготовления орденов и медалей
Латунь отличается пластичностью, прочностью, коррозионной стойкостью, её легко обрабатывать, поэтому материал нашел широкое применение во многих сферах. Из латуни делают сосуды, застёжки, медали, воинские знаки отличия, нательные крестики, сантехнические изделия. Интересно, что памятник Минину и Пожарскому, который стоит на Красной площади, также изготовлен из латуни. Материал очень ценится в Африке, так как из него делают посуду, художественные изделия и ритуальные маски.
Алюминий – «крылатый металл»
Лёгкий материал серебристо-белого цвета - один из самых востребованных металлов в мире. Чистый алюминий можно обнаружить только в жерле вулкана, также его нашли на Луне. Несколько столетий назад стоимость алюминия была дороже золота. Например, французский император Наполеон- III очень ценил данный металл. По его требованию все столовые приборы, которые подавались почётным гостям, были изготовлены из алюминия, остальные приближенные пользовались золотыми и серебряными ложками. Ювелирные украшения из алюминия могли приобрести только самые богатые люди, так как они стоили баснословных сумм. Даже у датского короля Кристиана-Х корона была изготовлена из алюминия.
Сейчас «крылатый металл» имеет разные области применения, его используют в авиастроении, из лёгкого металлопроката изготавливают корпуса самолётов, многие детали МКС. Алюминиевый порошок входит в состав присадок для ракетного топлива. За время полёта ракета сжигает более 30 т порошка.
Интересно, что при нагреве оксид алюминия становится искусственным сапфиром.
Металл часто используют при производстве фейерверков, чтобы получить яркое пламя и много искр.
Сегодня большой популярностью пользуется алюминиевая ткань. «Умный» материал с вкраплением алюминиевых волокон способен последовательно охлаждать и нагревать, лёгкая одежда отлично отражает тепло, её можно компактно складывать.
Свинец – надёжная защита от радиации
Благодаря мягкости и податливости, люди научились использовать металл матово-серебристого цвета ещё задолго до железа. Свинец является очень тяжелым металлом, он тяжелее алюминия в четыре раза, недаром слово свинцовый в русском языке считается синонимом тяжести. Металл легко плавится, очень быстро окисляется. Доподлинно известно, что первобытные люди из свинца изготавливали статуэтки, бусы, водопроводные трубы, не зная, что данный металл опасен для человека.
Из всех материалов только свинец обеспечивает надёжную защиту от радиации. Благодаря большой плотности препятствует прохождению гамма и рентгеновского излучения.
После того как было изобретено огнестрельное оружие пули стали изготавливать именно из свинца. Металл востребован в химической промышленности, при изготовлении радиаторов.
Цинк – защита автомобилей и зданий от коррозии
упоминания о цинке встречаются ещё в трудах Гомера и Аристотеля. Голубовато-белый металл на воздухе тускнеет, покрывается тонкой оксидной плёнкой, которая предохраняет его от дальнейших преобразований. Важное качество металла – способность противостоять ржавлению, а следовательно, защищать от коррозии другие металлы. Более половины произведённого цинка в настоящее время используют для гальванизации стали.
Цинк – важный питательный минерал, с помощью него происходят многие реакции в организме. Важный элемент помогает иммунной системе противостоять вирусам и бактериям.
Бронза – самый "музыкальный сплав"
Бронза - это сплав меди с такими химическими элементами как олово, бериллий, алюминий, хром. Поэтому бронза может быть алюминиевой, оловянной и т.д. Металл отличается износостойкостью и высокой прочностью, имеет хорошие смазывающие свойства, высокую теплопроводность. Бронза поддается любым способам обработки, поэтому применяется при изготовлении монет, украшений, статуй, музыкальных инструментов.
Люди заметили, что бронза придает колоколам силу и глубину звучания. В средние века бронзовым колоколам приписывали чудесную силу. Интересно, что из бронзы изготовлен Царь Колокол.
Перспективы использования
Наука не стоит на месте, появляются новые технологии, поэтому варианты использования цветных металлических материалов становятся все более разнообразными. Например, учёные ведут исследования по применению цветных металлов для создания солнечных и аккумуляторных батарей с целью увеличения их эффективности и снижения себестоимости. Новые сплавы используют для создания лёгких, высокопрочных деталей для истребителей, автомобилей, высокоскоростных поездов.
Цветные металлы - это полезный, незаменимый материал в современном мире, который играет первостепенную роль в разных сферах экономики, однако, чтобы обеспечить устойчивое развитие разных областей промышленности и снизить отрицательное воздействие на окружающую среду, необходимо продолжить разработку новых технологий, которые дадут возможность продуктивно использовать цветные металлы и увеличить их эффективность.